Erstmals Geburt eines Magnetars beobachtet

Astronomen haben zum ersten Mal die Geburt eines Magnetars beobachtet – eines extrem magnetischen, schnell rotierenden Neutronensterns. Der Durchbruch bestätigt, dass diese exotischen Objekte einige der hellsten Sternexplosionen im Universum antreiben können. Die Entdeckung bestätigt zudem eine Theorie, die vor 16 Jahren von einem Physiker der University of California in Berkeley aufgestellt wurde, und enthüllt ein neu erkanntes Merkmal bestimmter explodierender Sterne: ein charakteristisches 'Chirpen' in ihrem Licht, das sich nur mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie erklären lässt. Die Forschung wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Superleuchtkräftige Supernovae gehören zu den spektakulärsten Explosionen im Universum und leuchten zehnmal heller oder mehr als gewöhnliche Supernovae. Seit Astronomen sie Anfang der 2000er Jahre erstmals identifizierten, rätselten sie, warum diese Explosionen lange nach dem Kollaps des Eisenkerns eines massereichen Sterns und dem Herausschleudern seiner äußeren Schichten in den Weltraum weiterhin intensiv hell bleiben. Bereits 2010 schlug der theoretische Astrophysiker Dan Kasen von der UC Berkeley vor, dass die Antwort ein neugeborener Magnetar sei. Seine Theorie besagte, dass der Kern eines enormen Sterns am Ende seines Lebens zu einem unglaublich dichten Neutronenstern kollabieren kann, anstatt zu einem Schwarzen Loch zu werden. Besaß der ursprüngliche Stern ein starkes Magnetfeld, würde der Kollaps es dramatisch verstärken und einen Magnetar mit einem 100- bis 1000-mal stärkeren Magnetfeld als das eines typischen Pulsars erzeugen. Obwohl sowohl Pulsare als auch Magnetare nur etwa 16 Kilometer Durchmesser haben, können junge Magnetare mehr als 1000 Mal pro Sekunde rotieren. Während sie rotieren, beschleunigen ihre mächtigen Magnetfelder geladene Teilchen, die auf die expandierenden Trümmer der Supernova prallen und zusätzliche Energie injizieren, die die Explosion viel länger leuchten lässt als erwartet.

Der Doktorand Joseph Farah von der UC Santa Barbara und dem Las Cumbres Observatory (LCO) fand den stärksten Beweis für diese Theorie, nachdem er eine 2024 entdeckte Supernova namens SN 2024afav untersuchte. Farah und seine Kollegen kamen zu dem Schluss, dass ungewöhnliche Buckel in der Lichtkurve der Supernova direkte Beweise dafür liefern, dass sich während der Explosion ein Magnetar gebildet hat. 'Was wirklich aufregend ist, ist, dass dies ein endgültiger Beweis für die Entstehung eines Magnetars als Folge des Kernkollapses einer superleuchtkräftigen Supernova ist', sagte Alex Filippenko, angesehener Professor für Astronomie an der UC Berkeley und Co-Autor der Studie. Kasen fügte hinzu: 'Das Chirpen in diesem Supernova-Signal ist, als würde der Motor den Vorhang zurückziehen und enthüllen, dass er wirklich da ist.'

Nach der Entdeckung von SN 2024afav im Dezember 2024 überwachte das Las Cumbres Observatory, ein weltweites Netzwerk von 27 Teleskopen, die Explosion mehr als 200 Tage lang. Die Supernova ereignete sich etwa eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt. Farah und der UCSB-Astronom Andy Howell bemerkten etwas Ungewöhnliches, nachdem die Supernova etwa 50 Tage nach der Explosion ihre maximale Helligkeit erreicht hatte. Anstatt gleichmäßig zu verblassen, wie es die meisten Supernovae tun, stieg und fiel ihre Helligkeit wiederholt. Die Intervalle zwischen diesen Schwankungen wurden zunehmend kürzer und erzeugten vier deutliche Buckel in der Lichtkurve. Farah verglich das Muster mit der steigenden Tonhöhe eines Vogelgezwitschers.

Farahs Modell legt nahe, dass ein Teil des durch die Explosion nach außen geschleuderten Materials später zum neugeborenen Magnetar zurückfiel und eine Akkretionsscheibe bildete. Da diese Scheibe wahrscheinlich relativ zur Rotation des Magnetars geneigt war, sagt Einsteins Theorie voraus, dass der sich schnell drehende Neutronenstern die umgebende Raumzeit mit sich ziehen würde, was ein Phänomen namens Lense-Thirring-Präzession erzeugt. Dieser Effekt führt dazu, dass die geneigte Scheibe taumelt. Während die taumelnde Scheibe periodisch das Licht des Magnetars blockiert und reflektiert, verhält sich das System wie ein blinkender kosmischer Leuchtturm. Im Laufe der Zeit spiralisiert die Scheibe nach innen, wodurch sich das Taumeln beschleunigt. Dadurch treffen die Lichtpulse immer schneller ein und erzeugen das charakteristische 'Chirpen', das die Astronomen entdeckten. 'Wir haben mehrere Ideen getestet, einschließlich rein Newtonscher Effekte und Präzession, die durch die Magnetfelder des Magnetars angetrieben wird, aber nur die Lense-Thirring-Präzession passte perfekt zum Timing', sagte Farah. 'Es ist das erste Mal, dass die Allgemeine Relativitätstheorie benötigt wurde, um die Mechanik einer Supernova zu beschreiben.' Das Team schätzte außerdem, dass der Neutronenstern alle 4,2 Millisekunden einmal rotiert und ein etwa 300 Billionen Mal stärkeres Magnetfeld als die Erde besitzt – beides definierende Merkmale eines Magnetars.

Die Forscher warnen jedoch, dass Magnetare möglicherweise nicht jede superleuchtkräftige Supernova erklären. Einige könnten stattdessen heller werden, wenn die Schockwelle der Explosion auf umgebendes Material trifft. Kasen hat auch vorgeschlagen, dass, wenn ein kollabierender Stern anstelle eines Magnetars ein Schwarzes Loch bildet, dies ebenfalls eine ungewöhnlich helle Supernova erzeugen könnte. Eine geneigte Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch könnte ebenfalls Buckel in der Lichtkurve erzeugen. Farah erwartet, dass Astronomen viele weitere 'chirpende' Supernovae entdecken werden, sobald das Vera C. Rubin Observatory seine beispiellose Himmelsdurchmusterung beginnt. 'Das ist das Aufregendste, an dem ich je teilhaben durfte. Das ist die Wissenschaft, von der ich als Kind geträumt habe', sagte Farah. 'Es ist das Universum, das uns laut und ins Gesicht sagt, dass wir es noch nicht vollständig verstehen, und uns herausfordert, es zu erklären.'